ZigBee城市道路井盖安全监测系统

0 引 言

随着社会的不断发展及城市数字化进程的不断加快，城市的设施建设也是越来越多。如埋于地下的电力电缆管线，给水排水管线，天然气、煤气管线，通信电缆等。为了方便对其进行检查和维修，所以每隔一定的距离就设有一个检查井。大量的检查井构成了城市里随处可见的井盖群。然而井盖的破损及丢失会带来严重的安全隐患：如汽车陷入检查井，路人落井等，给我们的人身安全和财产安全带来了严重的威胁。为了减少灾难性事故的发生，目前我国许多城市对城市道路井盖的安全管理仍采用专人进行定期的维护和巡查的方法。这种方法不能及时发现井盖存在的问题以便第一时间采取措施避免灾难性事故的发生，所以井盖安全的有效管理成了城市管理的重大难题。

    针对以上问题，本文介绍了一种基于ZigBee无线模块和GPRS 的城市道路井盖安全监测系统，利用放置在井盖下方的传感器节点实时采集井盖的状态信息，同时将采集到的数据信息传送到协调器节点，然后通过GPRS 模块远程传输到监测中心，实现城市道路井盖安全状态的实时监测，从而提高了城市道路井盖安全管理的实时性和便捷性。

1 系统总体方案设计

1.1 系统总体构成城市道路井盖安全监测系统主要由采集井盖状态信息的传感器节点、收集及转发数据的网关节点和上位机监控中心三个部分构成。整个监测系统的框图如图1 所示。

图1 系统总体结构图

1.2 总体方案概述

由于井盖的分布范围较广，为了能够监测每一个井盖的安全状态信息，我们把城市道路的井盖覆盖区域划分为多个小区域，然后在每一个小区域组建一个独立的ZigBee无线模块传感器网络。处于不同的ZigBee网络的ZigBee无线模块之间是不能相互通信的，因为只有网络内部的节点才可以相互通信与交换数据。

    本文中的ZigBee数传网络采用Mesh 网状结构，由一个协调器节点和多个终端节点组成。传感器节点布置在每个小区域的每个井盖下方，负责采集城市道路井盖安全状态信息，同时每个传感器节点又是路由节点，数据沿着路由器节点进行传输，最后传给协调器节点。

    ZigBee数传协调器和GPRS 模块构成网关节点，其主要负责ZigBee数传模块网络的构建和数据的远程传输。网关节点接收传感器节点的数据通过串口传给GPRS 模块，借助于GPRS 的通信网络将传感器节点采集到的数据信息传输到远端监测中心。

监测中心在Visual C++ 6.0 的平台上，采用面向TCP/IP协议的Socket 通讯机制进行程序编写，实现监测中心和网关节点的数据通信，实时接收网关节点传送过来的井盖状态信息数据，同时将故障井盖的数据信息显示出来并产生报警信息以便及时采取补救措施，实现城市道路井盖的实时监测与管理。

2 ZigBee技术及WSN 的优势

ZigBee数传技术是一种近距离、复杂度较低、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术标准，符合IEEE 802.15.4协议标准，在无数个传感器节点之间相互协调以达到相互通信的目的，同时这些节点所消耗的能量较低但其通信效率极高。利用ZigBee技术能够构建无线传感器网络，在其构建的网络内ZigBee数传模块的传输距离可以达到几百米。ZigBee协议是由IEEE 802.15.4 较低层次的物理层及MAC 层与ZigBee的网络层和应用支持子层所构成。在无线传感器网络中，根据节点的功能可以划分为终端设备（Enddevice）、路由器（Router）、协调器（Coordinator）。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是一组传感器以Ad-Hoc 方式构成网络，网络中存在的许多个传感器节点协调工作采集并处理无线传感器网络区域中的被实时监测的对象目标的数据及状态信息，采集到的数据信息通过ZigBee构建的无线传感器网络以多跳接力的方式传送到远端监测中心，使监测人员能够实时准确地获取被测对象的数据信息。与其它无线网络相比其具有如下的特点：

（1） 低功耗： 由于ZigBee无线模块的传输速度比较低 ，而且能够采用休眠模式，因此ZigBee设备可以节省耗电量。由于其可以定时休眠与工作，ZigBee设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的正常使用时间，解决了基本的低功耗问题。

    （2） 成本低： ZigBee的协议栈是可以通过免费下载得到的，所以产品的开发和生产成本也相对的降低，低成本在ZigBee产品的开发中也是一个重要因素。

    （3） 时延短： 通信时延和休眠状态到唤醒激活状态的时间都是非常短的，节点从休眠状态切换到工作状态只要15 ms的时间，所有的传感器节点加入到ZigBee网络中也只需要大约30 ms 的时间。

    （4） 网络容量大： 一个星型结构的ZigBee数传网络可以容纳254 个从设备和1个主设备， 1个区域内可同时允许存在100个ZigBee网络，并且其网络组成比较灵活。

    （5） 可靠性高： 采取了碰撞避免策略，同时为了以后的发展需要还留了专用的信道，能够有效避开发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，若传输过程中出现问题可以进行重发。

3 监测系统硬件设计及实现

3.1 传感器节点硬件设计

传感器节点主要用来进行ZigBee数据采集，井盖下方的光线亮度值、漏光强度值及井盖的倾斜角度值都将被采集，并将采集的数据发送给相邻点或将相邻节点发过来的数据转发到协调器节点。ZigBee数据采集传感器节点是无线传感器网络的基本单元，节点设计的合理与否直接影响到整个系统功能的实现。

传感器节点硬件主要由ZigBee数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电源管理单元和传感器模块组成，各个模块相互协作完成周围环境信息的采集和传输。从节能和系统集成的角度考虑，该监测系统使用微处理器和CC2530 无线通信模块为硬件核心来完成传感器节点环境信息的采集和信息到网关节点的传输。传感器模块采用亮度传感器、光强传感器和倾角传感器分别采集井下的光照强度和光线亮度以及井盖的倾斜程度。传感器节点框图如图2 所示。

图2 传感器节点硬件结构

CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器由于CC2530 内部集成了处理器和RF前端电路，所以非常适合构建小型化的传感器节点，实现了真正的单芯片片上解决方案。采集井盖状态信息的传感器分别使用亮度传感器、光照强度传感器BH1750 和倾角传感器ADXL345。传感器节点上电运行后，会依次采集井盖下方的光量值和光强值以及井盖的倾斜角度值，并通过天线进行数据的发送。

3.2 协调器节点硬件设计

网关节点（协调器节点）的主要功能就是接收传感器节点发送过来的数据，然后将数据传输到远端的监测中心。网关节点一方面和ZigBee数传网络连接，另一方面通过GPRS 模块与Internet外部网络连接，实现两种协议的直接转换，把收集的数据发送到与Internet 网络连接的监测中心。协调器节点主要由集成了8051 内核的CC2530 模块和GPRS 模块等部分组成，协调器节点框图如图3 所示。

图3 协调器节点硬件框图

在网关节点中ZigBee无线模块主要负责构建ZigBee网络，管理加入其网络的各个子节点，接收各个子节点发送过来的数据信息。CC2530 模块通过标准串口直接与GPRS 模块连接，向GPRS 模块发送标准的AT 命令实现GPRS 网络的注册及与Internet 的连接，获得IP 地址后便能够与远程监测中心相互通信，这样便能实现协调器数据的远程传输。所以，网关节点是上位机客户端和井盖监测现场联系的枢纽，在数据信息的传输过程中起着重要的中转作用。

4 系统软件设计

及实现软件设计包括上位机软件和下位机软件的开发设计。上位机监测系统软件采用面向TCP/IP 协议的Socket 通讯机制]，结合SQL Sever 2000 数据库，采用VC++ 编写，主要实现井盖状态信息数据的接收、显示，同时将接收到的数据保存到数据库中以便察看。下位机软件主要实现传感器节点的数据采集及发送，GPRS 模块的数据收发以及协调器节点与GPRS 模块的数据通信。

4.1 监测中心软件设计

监测中心软件系统通过GPRS 网络接收协调器发过来的井盖状态信息，并将井盖编号和井盖的位置以及井盖的漏光值和倾斜角度值保存到数据库以便工作人员实时查询井盖的状态信息。同时借助于监测系统软件设定井盖阈值，当接收到的数据超过设定的阈值后，会产生相关故障井盖的报警信息并将故障井盖的编号以及井盖的数据信息显示出来。监测中心人员看到监测软件的报警信息后及时通知井盖所属单位和管理人员及时的排除井盖的安全隐患。监测中心上位机实现结果，见图4。

 

图4 监测中心界面

4.2 传感器及协调器节点软件设计

对于监测系统中的传感器节点采用了IAR 开发环境进行程序的开发，程序主要实现了传感器数据的定时采集和定时发送。传感器节点软件设计流程图如图5 所示。

图5 传感器节点流程图

协调器节点主要负责ZigBee数传网络的构建与管理，并将终端节点发送来的井盖状态数据通过GPRS 模块远程传输到监测中心。协调器传节点的软件设计流程图如图6 所示。

图6 协调器节点流程图

5 结 语

本文提出的基于ZigBee无线模块技术的城市道路井盖安全监测系统，利用光照、倾角传感器进行ZigBee数据采集。较好地满足了实时监测城市道路井盖安全状态的要求，保证了井盖状态数据信息的实时性、完整性和可靠性。实践证明，基于ZigBee数传模块的城市道路井盖安全监测系统，克服了传统井盖安全管理模式中不能及时发现安全隐患的缺点。该监测系统不仅能够排除城市道路井盖安全隐患，保障路人的生命和财产安全，还提高了城市道路井盖安全管理的水平和效率，真正实现了城市道路井盖的智能化管理。